Неорганическая геохимия - Хендерсон П.
Скачать (прямая ссылка):
В сложных силикатных расплавах и магмах кристаллизующиеся минералы имеют составы, отличающиеся от состава магмы. Кристаллизация может продолжаться, пока магма не слишком пересыщена относительно твердой фазы. Скорость образования зародышей, скорость роста кристаллов и порядок, в котором различные минералы начинают кристаллизоваться из остывающей магмы,— важные факторы образования различных структур магматических пород.
8. Кинетический контроль распределения элементов 201
Зарождение кристаллов может начаться, если при образовании кристаллов свободная энергия в системы понижается. Однако начальный этап образования зародышей кристаллов сопровождается возрастанием свободной энергии по сравнению с равновесной величиной. Это возрастание — вклад поверхностной свободной энергии образующихся кристаллов. Поэтому кристаллизация будет идти в том случае, если .понижение свободной энергии всей системы будет больше, чем избыточная свободная энергия, возрастающая при образовании поверхности
Рис. 8.8. Соотношение между свобод- Рис. 8.9. Скорость зародышеобразова-ной энергией и радиусом кристалли- гшя как функция пересыщения. , ческого зародыша. гкрИт — критический радиус.
раздела твердое тело — расплав. Такие условия существуют, только когда расплав или магма пересыщены по,отношению к одной (или многим) минеральным фазам. Изменение свободной энергии AG системы при образовании кристаллов того же состава, что и расплав, может быть выражено уравнением (для сферических зародышей)
AG = 4nr*o-\-A-?nr3AGv, (8.10)
где г — радиус кристалла; о —удельная поверхностная энергия; AG\,— изменение свободной энергии при фазовом переходе (на единицу объема); оно отрицательно для пересыщенных растворов.
Уравнение показывает, что для пересыщенных растворов (AGV отрицательно) и малых величин г изменение свободной энергии возрастает с ростом г до некоторого критического радиуса Гкрит, после чего свободная энергия падает при дальнейшем росте г. Изменение свободной энергии с изменением радиуса кристалла показано на рис. 8.8.
202 Часть II
Теоретический анализ показывает, что число новых зародышей, возникающее в единицу времени на единицу объема (так называемая скорость образования зародышей), регулируется тремя главными факторами: температурой, поверхностной свободной энергией и степенью пересыщения. Последний фактор — доминирующий; теоретически с ростом пересыщения скорость
образования зародышей
15
-
- 4,3%
\ ^чХ / 1,7мас.% Н а0
0 гоо дао
очень быстро растет. Экспериментальные данные, однако, не согласуются с предсказанными скоростями образования зародышей: обычно наблюдается максимум скорости, после которого она уменьшается с ростом пересыщения (рис. 8.9, 8.10). Это может быть объяснено большой вязкостью расплавов при сильных пересыщениях, из-за чего энергия активации молекулярного движения через зарождающуюся поверхность кристалл — жидкость быстро возрастает.
Вышеописанный процесс образования зародышей протекает самопроизвольно при определенной степени пересыщения. Он называется гомогенным зародышеоб-разованием. Зародышеобра-зование может быть инициировано также другими способами, например добавлением инородных ядер кристаллизации или при пересыщении магмы в результате каких-либо толчков или быстрых движений. Магматическое обрушение и конвективные течения, переносящие ранее образованные кристаллы, могут привести к зарождению минеральных фаз при более низких степенях пересыщения, чем при гомогенном зародышеобразовании. Возбуждение зародышеобразования в процессах, включающих кроме пересыщения и другие факторы (например, присутствие инородных ядер кристаллизации), относится к гетерогенному зародышеоб-разованию.
Обсуждая происхождение структур пород Скергаардского интрузива (Восточная Гренландия), Уэджер-и Браун '[412] использовали идею об изменении скорости зародышеобразования
Рис. 8.10. Графики плотности зародышеобразования (числа зародышей в 1 см3) и .скорости роста щелочного полевого шпата (ЫаодКо.зА^зОв) как функции переохлаждения ДГ в расплавах с 1,7 и 4,3 мас.% воды [107].
8. Кинетический контроль распределения элементов 203
в зависимости от степени пересыщения относительно минеральных фаз. Хороший пример — закалочные приконтактные габбро в этом интрузиве, в которых многочисленные мелкие кристаллы плагиоклаза и оливина заключены в виде пойкилитовых образований в относительно редких кристаллах пироксена и ильменита. Внедрившаяся магма была быстро закалена при соприкосновении с окружающими породами и перенасытилась оливином и плагиоклазом, в результате чего образовалось и стало расти множество зародышей этих минералов (участок В на рис. 8.9). Магма не достигла в этот момент насыщения по отношению к пироксену и ильмениту. Оно создалось при дальнейшем охлаждении, но так как окружающие породы к этому времени прогрелись интрузией, температура падала гораздо медленнее. Эти условия привели к понижению скорости зародышеобразования (участок А на рис. 8.9), и медленное охлаждение сопровождалось образованием редких зародышей пироксена и ильменита, развивавшихся в большие пойкилитовые кристаллы.
